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수소가 에너지 저장 매체로서 혁신적인 이유
수소는 33.3kWh/kg으로 모든 연료 중 질량 대비 에너지 밀도가 가장 높습니다. 이러한 특별한 특성 덕분에 수소는 에너지 전환기에 지속 가능한 모빌리티와 에너지 저장에 이상적인 후보입니다. 하지만 수소를 실제로 적용하려면 안전하고 효율적인 혁신적인 저장 솔루션이 필요합니다.
기존 수소 저장과 그 한계
기존의 수소 저장 방식은 두 가지 기존 프로세스를 기반으로 하는데, 두 가지 모두 상당한 기술적, 경제적 문제를 야기합니다.
극저온 저장(액체 수소):
- 온도: -253°C(20K)
- 밀도: 71kg/m³
- 액화 시 에너지 손실: 저장된 에너지의 30%
- 지속적인 냉각 필요
- 고도로 전문화된 단열 시스템 필요
- 지속적인 에너지 소비로 인한 높은 운영 비용
가압 가스 저장:
- 어큐뮬레이터 압력: 최대 700bar
- 압축으로 인한 에너지 손실: 약 12%
- 무겁고 내압성이 강한 용기 필요
- 탱크 무게로 인한 실질적인 에너지 밀도 감소
- 압축 시스템에 대한 높은 투자 비용
두 프로세스의 일반적인 보안 문제:
수소는 분자 크기가 작기 때문에 확산 속도가 매우 빠르며 거의 모든 물질에 침투할 수 있습니다. 수소는 화학적으로 결합되지 않기 때문에 다음과 같은 위험이 발생합니다:
- 물질 확산으로 인한 지속적인 가스 손실
- 제어되지 않은 가스 방출 가능성
- 공기 중 수소 농도 4~75%에서 폭발 위험
- 감지하기 어려운 누출(무색, 무취)
- 연소 속도가 빠르면 안전 조치가 더 어려워집니다.
MOF 및 금속 수화물을 사용한 흡착 기반 스토리지
금속-유기 프레임워크(MOF), 금속 수 소화물 및 제올라이트 구조는 흡착을 통한 수소의 기계적 결합에 대한 대안적인 접근 방식을 제공합니다. 이러한 소재는 확산 위험을 크게 줄이고 안전성을 높입니다. 하지만 대부분의 금속 하이드레이드는 금속 대 수소 비율이 좋지 않고 흡수 및 방출 속도가 느립니다. 주목할 만한 예외는 니켈-금속 수소화물 시스템으로, 배터리 기술에 성공적으로 적용되어 이미 수소 저장에 널리 사용되고 있습니다.
LOHC 기술: 액체 스토리지의 혁신
디벤질톨루엔(DBT)과 같은 액체 유기 수소 운반체(LOHC)가 수소 저장에 혁명을 일으키고 있습니다. 이 무독성 난연성 액체는 로듐 촉매를 사용하여 200°C와 5bar의 적당한 조건에서 수소를 흡수할 수 있습니다. 이렇게 생성된 퍼옥시-DBT는 액체 1리터당 600리터의 기체 수소를 저장하며, 이는 2kWh/kg의 인상적인 저장 용량에 해당합니다. 방출은 300°C와 감압에서 이루어집니다. LOHC 시스템은 낮은 확산률의 장점을 유지하면서 고체 저장보다 훨씬 높은 흡수 및 방출 속도를 달성합니다.
분자 결합을 통한 화학적 수소 저장
수소를 다른 분자에 화학적으로 결합하는 것은 또 다른 유망한 저장 방법을 제공합니다. 가장 잘 알려진 예는 매년 2,000억 톤 이상의 암모니아를 생산하는 하버보쉬 합성이 있습니다. 이 반응은 철 촉매를 사용하여 450°C와 200bar에서 이루어지며 5.2kWh/kg의 에너지 함량을 달성하며 이는 63%의 효율에 해당합니다. 암모니아는 기체 수소보다 다루기 쉽지만 독성과 부식성이라는 단점이 있습니다. 또는 메탄과 같은 다른 가스는 바이오매스나 숯을 고온에서 증기로 처리하는 석탄 가스화를 통해 합성할 수 있습니다.
저장 재료의 특성 분석을 위한 분석 방법
열 분석은 수소 저장 물질을 분석하는 데 가장 중요한 도구입니다. 중량 측정 및 체적 흡착 분석기, 고압 열천칭(TGA) 및 차동 주사 열량계(DSC)를 사용하여 흡착 및 탈착 공정을 정밀하게 특성화할 수 있습니다. 이러한 시스템을 사용하면 가스 흐름, 압력 및 진공의 제어된 조건에서 흡착 및 탈착 열을 측정할 수 있습니다. 특히 석탄 가스화에서 고압 TG-DSC 시스템을 사용하면 단일 테스트에서 가스화 효율, 탄소 함량 및 반응 열을 동시에 측정할 수 있습니다.
수소 저장 기술의 미래 전망
효율적인 수소 저장 기술의 개발은 성공적인 에너지 전환을 위한 핵심 과제로 남아 있습니다. LOHC 시스템은 이동식 애플리케이션에 특히 유망한 특성을 보이며, 개선된 흡착 소재는 고정식 저장에 최적화되고 있습니다. 이러한 기술의 지속적인 추가 개발은 수소를 깨끗하고 실용적인 미래의 에너지 운반체로 자리매김하고 지속 가능한 에너지 공급에 중요한 기여를 하는 데 결정적인 역할을 할 것입니다.
